Что такое кварк? Какие законы сохранения отражали сохранение в ядерных реакциях зарядового и массового числа? Сформулируйте закон сохранения барионого заряда. Как он подтверждает невозможность распада бариона на более мелкие частицы

Адронами называются элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии. Все они подвержены также электромагнитному, слабому и гравитационному взаимодействиям. Класс адронов самый многочисленный: он насчитывает более 300 частиц (если считать и античастицы). , согласно современным воззрениям, являются составными частицами. Первым косвенным указанием на это может служить хотя бы то, что их очень много - несколько сотен. Далее, большинство адронов являются резонансами - крайне нестабильными частицами. Но, главное, у адронов была обнаружена внутренняя структура. Уже из результатов опытов по упругому рассеянию электронов на нуклонах, проведенных в 50-60-е годы, следовало, что радиусы протона и нейтрона отличны от нуля. Конечно, непосредственно измерить эти радиусы не возможно, имеются в виду среднеквадратичные радиусы распределения электрического заряда и магнитного момента в этих частицах.

R N =0,8·10 -15 м.

При этом электрический заряд и магнитный момент распределены в них неравномерно: они спадают от центра к периферии по экспоненциальному закону (у нейтрона распределение электрического заряда отсутствует). Так, плотность электрического заряда протона хорошо описывается следующей экспериментально найденной формулой:

g(r) =e ·3,06exp(-4,25r) .

Более того, опыты по неупругому рассеянию электронов на нуклонах, проведённые в 60-70-е годы, выявили зернистую («партонную») структуру протона и нейтрона.

состоят из кварков . комбинируются таким образом, что их дробные заряды в сумме дают целый заряд адрона, т.е. адроны не имеют цветового заряда, хотя его имеют кварки. Все адроны, за исключением протона, - нестабильны, т.е. распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т.д.

Различают стабильные (точнее, мета-стабильные) адроны со средними временами жизни T>10 -23 с и резонансы, времена жизни которых T~10 -24 -10 -23 с. Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями, главным образом слабым, иногда электромагнитным. Данное свойство резонансов может служить наиболее адекватным их определением.

Адроны подразделяются на барионы и мезоны.

Адроны, имеющие полуцелые спины, называют барионами; адроны, обладающие целыми спинами, называют мезонами.

Мезоны (от греч. m esos - средний ) состоят из одного кварка и одного антикварка. Например, такой мезон, как пион (π + ), имеет структуру ud (т.е. состоит из одного u -кварка и одного d -антикварка). Аналогично антипион (p - ) имеет совсем другую структуру du (т.е. состоит из одного u -антикварка и одного d -кварка). Мезоны относятся к бозонам, т.е. к переносчикам взаимодействий (см. стандартная модель).

Поскольку мезон состоит из частицы и античастицы, то он очень нестабилен. Однако такой мезон, как каон (K ), имеет гораздо большую продолжительность жизни по сравнению с остальными мезонами, и потому входящий в него кварк назвали странным (strange).

Таким образом, бывают стабильные мезоны и стабильные барионы, а также мезонные резонансы и барионные резонансы. Для характеристики этого различия вводят физическую величину, аналогичную лептонному заряду - барионный заряд.

По определению, у всех барионов В = + 1, у всех антибарионов В= - 1, у всех прочих частиц (в том числе у мезонов) В = 0. Пока считается, что барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Этим обусловлена, в частности, стабильность протона - самого легкого бариона. Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Заметим, что «прелестные» барионы ещё не зарегистрированы, хотя нет никаких сомнений в том, что они существуют. Кроме того, предсказывается новый класс «истинных» частиц с весьма большими массами.

Помимо пространственно-временных симметрий в мире частиц действуют симметрии иной природы, называемые внутренними или динамическими симметриями. Они позволяют, например, классифицировать всё многообразие адронов.

Пояснить, что такое внутренняя симметрия, лучше всего на конкретном примере. Рассмотрим два легчайших бариона - протон и нейтрон. Массы частиц очень близки: m p = 938,2 МэВ , m n = 939,5 МэВ . Заряд протона Q = +1 , заряд нейтрона Q = 0 . Как показывают эксперименты, в реакциях сильного взаимодействия обе частицы ведут себя одинаково. Если не учитывать электромагнитный заряд, то во всём остальном они неразличимы. В ядерном мире протон и нейтрон выступают как единая частица - нуклон, который может находиться в двух разных состояниях, протонном и нейтронном.

«Взаимозаменяемость» протона и нейтрона в реакциях сильных взаимодействий можно математически описать как симметрию по отношению к вращениям в некотором гипотетическом (не имеющем ничего общего с обычным) трёхмерном пространстве, получившем название изотопического пространства. Как электрон со спином ½ способен находиться в двух состояниях с проекциями спина на избранное направление (ось квантования) ½ или -½, так и протон с нейтроном могут считаться состояниями одной частицы (нуклона N), наделённой новым квантовым числом - изотопическим спином T= ½ , но с разными проекциями: Tз = ½ и Tз = -½ (понятие изотопического спина ввёл в 1940 г. В. Гейзенберг). Неразличимость протона и нейтрона теперь выражается как инвариантность уравнений теории сильных взаимодействий относительно «вращений» в изотопическом пространстве. Или, другими словами, тождественность протона и нейтрона по отношению к сильному взаимодействию находит свое конкретное выражение в свойстве зарядовой независимости ядерных сил: они одинаковы для систем р - р, п - п, р - п .

Все адроны распределяются по небольшим семействам - изомультиплетам. Сильное взаимодействие отдельных их членов одинаково, а различаются они только своим отношением к электромагнитному и слабому взаимодействиям. Если бы два последних взаимодействия удалось бы не учитывать, то члены одного изомультиплета стали бы тождественными, неразличимыми частицами. Характерный внешний признак принадлежности частиц к одному изомультиплету - приближенное равенство их масс при разных значениях электрического заряда. Считается, что небольшие различия в массах возникают как раз вследствие электромагнитного взаимодействия. Самый известный пример изомультиплета дает нуклонный изодублет N , содержащий протон р и нейтрон п , на примере которого мы и провели первоначальное пояснение.

Математический аппарат, с помощью которого описываются разные изомультиплеты и отдельные их члены, почти идентичен аппарату, созданному для описания обычного спина и разных спиновых состояний данной частицы. Изомультиплету в целом приписывается изоспин T , который определяет число его членов по формуле:

N=2T+1 . ()

У частицы с обычным спином J имеется 2J + 1 спиновых состояний, различающихся проекциями спина J 3 . По аналогии с этим вводится проекция изоспина T з , значениями которой различаются отдельные члены изомультиплета (хотя здесь никакие наглядные геометрические образы непригодны). Величина T з пробегает значения от -T до T через единицу в порядке возрастания электрического заряда. Приведем два простых примера. Для нуклона N = 2 (р, п) , а поэтому T=½ , у нейтрона T з =-½ протона T з =+ ½ . Для пиона N = 3 (л + , л 0 , л -) , и поэтому Т= 1 ; у л - -мезона T з = - 1 , у л 0 -мезона T з = 0 , у л + -мезона Т з =+1 .

В сильном взаимодействии изоспин сохраняется. Заметим только, что свойство зарядовой независимости ядерных сил является частным следствием закона сохранения изоспина. Электромагнитное взаимодействие делает члены данного изомультиплета уже различными, и поэтому в процессах, им обусловленных, изоспин не сохраняется. Не сохраняется он и в слабом взаимодействии.

Прежде всего следует напомнить, что адроны, в состав которых входят того или иного аромата, становятся обладателями соответствующего квантового числа, другими словами, в составе рассматриваемых ниже странных частиц содержится странный кварк.

Первоначально из адронов были известны только частицы N и л. Электрические заряды этих «обычных» частиц могут быть вычислены по формуле q = T 3 +½B, (1) .

Но для «странных» частиц, открытых в 50-е годы, данная формула уже не справедлива. Так, у K + -мезона q= +1 , в то время, как Тз= +½, B=0 . Всем этим частицам приписывается новое квантовое число - странность S. Оно вводится так, чтобы для странных частиц выполнялось соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S), (2) , обобщающее предыдущую формулу. По сути дела, соотношение рассматривается в настоящее время просто как определение странности, позволяющее находить её значения для конкретных частиц. Так, у «обычных» частиц S = 0 , а из последнего примера сразу ясно, что K + -мезону следует приписать странность S= + 1 .

Считается, что странность сохраняется в сильном (и электромагнитном) взаимодействии, но не сохраняется в слабом взаимодействии. В более строгом смысле в физике элементарных частиц существуют т.н. правила отбора , одно из них применительно к свойству странности формулируется так: суммы странностей частиц в начале и конце реакции сильного взаимодействия одинаковы.

Этим сразу объясняется весьма необычное свойство странных частиц, из-за которого они главным образом и получили свое название: рождаются эти частицы всегда парами, причем быстро - за время т~10 -23 с, а распадаются поодиночке и медленно - за время т~ 10 -10 -т~ 10 -8 с. Дело в том, что в космическом излучении «странные» частицы генерируются при соударении «обычных» адронов N и л с S=0 и в результате сильного взаимодействия (отсюда малые времена). Так как в начальном состоянии S = 0 , то и в конечном состоянии полная странность равна нулю. А это значит, что если образовалась какая-то одна частица с S не равной О , то обязана образоваться и другая частица с противоположным значением S . Распадаться же «странные» частицы за счёт сильного взаимодействия не могут, так как в конечном итоге они превращаются в «обычные» частицы. Их распады обусловлены слабым взаимодействием, не сохраняющим странность, откуда относительно большие времена жизни.

В 70-е годы были открыты очарованные частицы, для которых оказалось несправедливым и соотношение (2) . Им приписали новое квантовое число - очарование С , введение которого обобщает соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S+C), (3) .

Очарование подчиняется таким же законам сохранения, что и странность. После открытия прелестных частиц возникла необходимость во введении прелести Ь . q = T 3 +½(B+S+C-b), (4) . (знак минус введен по причинам достаточно случайного характера).

Для «истинных» частиц, если их откроют, необходимо ввести ещё одно квантовое число - истинность (?) .

Итак, мы видим, что для описания всего многообразия адронов приходится использовать большое количество весьма необычных физических величин (причём мы перечислили не все из них). Их глубокий смысл в том, что все эти величины подчиняются определенным законам сохранения, позволяющим устанавливать правила отбора, которые запрещают или разрешают протекание тех или иных превращений частиц. Из сказанного ясно, что фундаментальные взаимодействия различаются, наряду с прочими характеристиками, также свойственными им законами сохранения.

Пермский военный институт ВВ МВД РФ

Кафедра общенаучных дисциплин

Курсовая работа по физике

Тема: Адроны

Выполнил:

Овечкин Александр Васильевич

Пермь - 2003 г.

Вступление

Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов - и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может.

Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания.

Основная часть

1. Виды взаимодействий

Основные, фундаментальные взаимодействия в физике делятся на:

· гравитационные

· электромагнитные

· сильные

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10 -13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабое взаимодействие, одно из фундаментальных взаимодействий, в котором участвуют все элементарные частицы (кроме фотона). Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но неизмеримо сильнее гравитационного. Ожидаемый радиус действия слабого взаимодействия порядка 2·10-16 см. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. Для слабого взаимодействия характерно нарушение четности, странности, «очарования» и др. В кон. 60-х гг. создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий (так называемое электрослабое взаимодействие).

Сильные взаимодействия, самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз, его радиус действия ок. 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия -- ядерные силы.

Характерное время, за которое происходят элементарные процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, составляет 10 -23 --10 -24 сек. Сильные взаимодействия обладают высокой степенью симметрии; они симметричны относительно пространственной инверсии, зарядового сопряжения, обращения времени. Специфическим для сильных взаимодействий является наличие внутренних симметрий адронов: изотопической инвариантности, симметрии по отношению к фазовому преобразованию, приводящей к существованию особого сохраняющегося квантового числа -- странности, а также SU (3)-симметрии.

Важнейшая особенность сильных взаимодействий -- их короткодействующий характер; они заметно проявляются лишь на расстояниях порядка 10 -13 см между взаимодействующими адронами, т. е. их радиус действия примерно в 100 000 раз меньше размеров атомов. На таких расстояниях С. в. в 100--1000 раз превышают электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами. С увеличением расстояния сильные взаимодействия быстро убывают, так что на расстоянии несколько радиусов действия они становятся сравнимыми с электромагнитными взаимодействиями, а на ещё больших расстояниях практически исчезают. С короткодействующим характером сильных взаимодействий связан тот факт, что они, несмотря на их огромную роль в природе, были экспериментально обнаружены только в 20 в., в то время как более слабые дальнодействующие электромагнитные и гравитационные силы были обнаружены и изучены гораздо раньше (вследствие дальнодействующего характера электромагнитных и гравитационных сил происходит сложение сил, действующих со стороны большого числа частиц, и таким образом возникает взаимодействие между макроскопическими телами).

Для объяснения малого радиуса действия ядерных сил была выдвинута гипотеза, согласно которой сильные взаимодействия между нуклонами (N) происходит благодаря тому, что они обмениваются друг с другом некоторой частицей, обладающей массой, аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется посредством обмена «частицами света» -- фотонами. При этом предполагалось, что существует специфическое взаимодействие, приводящее к испусканию и поглощению промежуточной частицы -- переносчика ядерных сил, который назвали сильными взаимодействиями.

Согласно квантовой механике, время наблюдения системы Dt и неопределённость в её энергии DE связаны неопределённостей соотношением: DEDt ~ , где -- постоянная Планка. Поэтому, если свободный нуклон испускает частицу с массой m (т. е. энергия системы меняется согласно формуле теории относительности на величину DE = mc2, где с -- скорость света), то это может происходить лишь на время Dt ~ /mc 2 . За это время частица, движущаяся со скоростью, приближающейся к предельно возможной скорости света с, может пройти расстояние порядка /mc. Следовательно, чтобы взаимодействие между двумя частицами осуществлялось путём обмена частицей массы т, расстояние между этими частицами должно быть порядка (или меньше) /mc, т. е. радиус действия сил, переносимых частицей с массой m, должен составлять величину /mc. При радиусе действия ~10 -13 см масса переносчика ядерных сил должна быть около 300 m e (где m e -- масса электрона), или приблизительно в 6 раз меньше массы нуклона. Такая частица была обнаружена в 1947 и названа пи-мезоном (пионом, p).

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий).

Элементарные частицы

Элементарные частицы, мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц -- способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто (на 1978) более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с для свободного нейтрона до 10-22 -- 10-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Классификация элементарных частиц

Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин. Отдельную «группу» составляет фотон. Частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой -- лептонным зарядом, образуют группу лептонов.

Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в т. ч. специфического для них -- барионного заряда, странности, изотопического спина, «очарования».

Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны -- из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения.

Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.

Адроны - (термин происходит от греч. hadros - большой, сильный; термин предложен Л.Б. Окунем в 1967).

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К адронам относятся все барионы (в т. ч. нуклоны - протон и нейтрон) и мезоны. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами: странностью, очарованием, красотой и др. Близкие по массе адроны, имеющие одинаковые значения указанных квантовых чисел, а также барионного числа и спина могут быть объединены в изотопические мультиплеты, включающие в себя адроны с различными электрическими зарядами. Изотопические мультиплеты, отличающиеся только значением странности, могут быть, в свою очередь, объединены в более обширные группы частиц - супермультиплеты группы SU(3).

Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barэs - тяжёлый и mйsos - средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности:

обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и

очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| № 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| № 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий

Наиболее важное квантовое свойство все элементарных частиц - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.

Характеристики элементарных частиц.

Каждая элементарных частиц, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы элементарных частиц и существует ли для них какая-то единица измерения.

Масса, одна из основных физических характеристик материи, определяющая ее инертные и гравитационные свойства.

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6Ч10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9Ч10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10 -13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -15 см.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5Ч10 21 лет), протон (t > 2Ч10 30 лет), фотон и нейтрино.

К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10 -20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10 -23 -10 -24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой і 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10 -20 сек.

Спин (англ. spin, букв. -- вращение), собственно момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого; измеряется в единицах Планка постоянной ћ и может быть целым (0, 1, 2,...) или полуцелым (1/2, 3/2,...).

Спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1

Барионный заряд (барионное число) (B), одна из внутренних характеристик барионов. У всех барионов B = +1, а у их античастиц B = -1 (у остальных элементарных частиц B = 0). Алгебраическая сумма барионных зарядов, входящих в систему частиц, сохраняется при всех взаимодействиях.

Изотопический спин (изоспин, I), внутренняя характеристика адронов и атомных ядер, определяющая число (n) частиц в одном изотопическом мультиплете: n = 2 I+1. В процессах сильного взаимодействия изотопический спин сохраняется.

Четность - квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции физической системы или элементарной частицы при некоторых дискретных преобразованиях: если при таком преобразовании не меняет знака, то четность положительна, если меняет, то четность отрицательна. Для абсолютно нейтральных частиц (или систем), которые тождественны своим античастицам, кроме четности пространственной, можно ввести понятия зарядовой четности и комбинированной четности (для остальных частиц замена их античастицами меняет саму волновую функцию).

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения =1.

Изотопический спин, гиперзаряд, чётность, комбинированная чётность, странность, очарование, и т.д.).

Странность (S), целое (нулевое, положительное или отрицательное) квантовое число, характеризующее адроны. Странность частиц и античастиц противоположны по знаку. Адроны с S0 ?называются странными. Странность сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается (на 1) в слабом взаимодействии.

«Красота» («прелесть»), квантовое число, характеризующее адроны; сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях и не сохраняется в слабом. Носителем «красоты» является b-кварк. Адроны с ненулевым значением «красоты» называются «красивыми» («прелестными»), обнаружены на опыте.

«Очарование» (чарм, шарм), квантовое число, характеризующее адроны (или кварки); сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием. Частицы с ненулевым значением «очарование» называются «очарованными» частицами.

Цвет, квантовое число, характеризующее кварки и глюоны. Для каждого типа кварка принимает одно из трех возможных значений. В квантовой хромодинамике с «цветом» связан специфический «цветовой заряд», определяющий взаимодействие «цветных» частиц.

DМ=Zmp+Nmn-M(Z,N)=Eсв/c2,

где M -- масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов; mp, mn -- массы протона и нейтрона. Для атомов, молекул, кристаллов величина дефекта массы пренебрежимо мала.

Сохранения законы, законы, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются с течением времени при различных процессах. Важнейшие законы сохранения -- законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда. Кроме этих строгих законов сохранения существуют приближенные законы сохранения, которые справедливы лишь для определенного круга процессов; напр., сохранение четности нарушается лишь слабыми взаимодействиями.

Теория унитарной симметрии SU

Открытие большого числа резонансов и установление их квантовых чисел показало, что адроны, входящие в разные изотопические мультиплеты, могут быть объединены в более широкие группы частиц с одинаковыми спинами, чётностью и барионным зарядом, но с разными гиперзарядами -- т. н. супермультиплеты. Например, 8 барионов со спином 1 / 2 и положит. чётностью: нуклоны N (протон и нейтрон) с изотопическим спином I = 1 / 2 и гиперзарядом Y = 1, S-гипероны (S + ,S 0 ,S -) c I = 1, Y = 0, L-гиперон с I = 0, Y = 0, X-гипероны (X 0 , X -) с I = 1 / 2 , Y = - 1 могут быть объединены в единый супермультиплет -- октет барионов. В супермультиплет (декаплет) объединяются также барионы со спином 3 / 2 и положительной чётностью; этот мультиплет включает резонансы D (D ++ , D + , D 0 , D -) с I = 3 / 2 , Y = 1, резонансы S* (S + *, S 0 *, S - *) c l = 1, Y = 0, резонансы X* (X 0 *, X - *) с I = 1 / 2 , Y = - 1 и W - = гиперон с I = 0, Y = - 2. Аналогичным образом в супермультиплеты объединяются и мезоны. Например, p-мезоны (p + , p 0 , p -) с I = 1, Y = 0, K-мезоны (K + , K 0 , K - , K 0) с I = 1 / 2 , Y = ± 1 и h-мезон c I = 0, Y = 0 объединяются в октет мезонов со спином 0 и отрицательной чётностью. Поскольку, однако, массы частиц, входящих в один и тот же супермультиплет, заметно отличаются друг от друга, ясно, что симметрия С. в., вследствие которой существуют группы «похожих» частиц, является не точной, а приближенной симметрией. Можно считать, что С. в. складывается из обладающего высокой степенью симметрии т. н. «сверхсильного» взаимодействия и нарушающего симметрию «умеренно сильного» взаимодействия.

Кварки - гипотетические фундаментальные частицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы -- из трех кварков, мезоны -- из кварка и антикварка). Кварки обладают спином 1/2, барионным зарядом 1/3, электрическими зарядами -2/3 и +1/3 заряда протона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно) обнаружены 6 типов («ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии не наблюдались.

Гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющие взаимодействие между кварками называются глюонами. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет».

Заключение

Изучение структуры различных элементарных частиц, и в первую очередь протона и нейтрона, находится на самом переднем крае фронта исследований в физике элементарных частиц. Протон и нейтрон - это окончательные основные состояния всех барионов. Из обеих этих частиц построены все атомные ядра, находящиеся в своих основных состояниях.

Классификация адронов оказалась очень успешной, при этом удалось немного заглянуть в структуру адронов, представить их состоящими из кварков. Но многое еще предстоит выяснить.

Не так давно появилась новая теория элементарных частиц, названная «теорией зашнуровки». Согласно ей ни одна из частиц не является более фундаментальной и элементарной, чем остальные. Каждая элементарная частица существует потому, что существуют все остальные частицы.

Список литературы

В. Акоста, К. Кован, Б. Грэм « Основы современной физики», М. Просвещение, 1981;

И. Розенталь «Элементарные частицы и структура Вселенной», М. Наука, 1984;

К. Мухин «Занимательная ядерная физика», М. Энергоатомиздат, 1985

Боголюбов Н.Н., Медведев Б.В., Поливанов М. К., Вопросы теории дисперсионных соотношений, М., 1958;

Логунов А.А, Основные тенденции в развитии теории сильных взаимодействий, «Физика элементарных частиц, и атомного ядра (ЭЧАЯ)», 1974, т. 5, в. 3;

Подобные документы

Основные понятия, механизмы элементарных частиц, виды их физических взаимодействий (гравитационных, слабых, электромагнитных, ядерных). Частицы и античастицы. Классификация элементарных частиц: фотоны, лептоны, адроны (мезоны и барионы). Теория кварков.

курсовая работа , добавлен 21.03.2014


Основные характеристики и классификация элементарных частиц. Виды взаимодействий между ними: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Состав атомных ядер и свойства. Кварки и лептоны. Способы, регистрация и исследования элементарных частиц.

курсовая работа , добавлен 08.12.2010


Фундаментальные физические взаимодействия. Гравитация. Электромагнетизм. Слабое взаимодействие. Проблема единства физики. Классификация элементарных частиц. Характеристики субатомных частиц. Лептоны. Адроны. Частицы - переносчики взаимодействий.

дипломная работа , добавлен 05.02.2003


Основные подходы к классификации элементарных частиц, которые по видам взаимодействий делятся на: составные, фундаментальные (бесструктурные) частицы. Особенности микрочастиц с полуцелым и целым спином. Условно истинно и истинно элементарные частицы.

реферат , добавлен 09.08.2010


Характеристика методов наблюдения элементарных частиц. Понятие элементарных частиц, виды их взаимодействий. Состав атомных ядер и взаимодействие в них нуклонов. Определение, история открытия и виды радиоактивности. Простейшие и цепные ядерные реакции.

реферат , добавлен 12.12.2009


Количество элементарных частиц. Существование кварков. Супермультиплеты. Три кошмарные частицы. Парк, нарк, ларк. Новые кварки. Поиски кварков. Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка. Камера Вильсона. Современная физика о проблеме кварков.

реферат , добавлен 24.04.2007


Структуры и свойства материй первого типа. Структуры и свойства материй второго типа (элементарные частицы). Механизмы распада, взаимодействия и рождения элементарных частиц. Аннигиляция и выполнение зарядового запрета.

реферат , добавлен 20.10.2006


Свойства всех элементарных частиц. Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Классификация элементарных частиц. Величина разности масс нейтрона и протона. Гравитационные взаимодействия нейтронов. Экспериментальное значение времени жизни мюона.

реферат , добавлен 20.12.2011


Сущность элементарных частиц (лептонов и адронов), особенности их классификации. Общая характеристика гипотезы о существовании кварков: супермультиплеты, кварковая гипотеза. Специфика квантовой хромодинамики: понятие глюонов и асимптотической свободы.

курсовая работа , добавлен 20.12.2010


Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва. Современные представления об элементарных частицах как первооснове строения материи Вселенной. Классификация элементарных частиц. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике. Теория атома Н. Бора.

Лептоны – частицы не участвующие в сильном взаимодействии. Все лептоны имеют спин ½. Лептоны на современном уровне развития физики представляют собой частицы, которые не имеют внутренней структуры. В этом смысле лептоны называют истинно элементарными или точечными частицами.

В настоящее время экспериментально установлено существование трех заряженных лептонов: - электрон, - мюон, - тау-лептон и трех нейтральных лептонов: - электронное нейтрино, - мюонное нейтрино и - тау-нейтрино. У каждого лептона имеется своя соответствующая античастица – антилептон. Античастица, соответствующая электрону, называется позитрон .

Мюон был открыт в космических лучах и является продуктом распада - мезона:

,
. (8.1)

Тау-лептон был открыт в 1970г. на электронно-позитронном коллайдере в реакции

. (8.2)

В отличие от электрона мюон и тау-лептон не являются стабильными частицами. Мюон имеет среднее время жизни
секунды и распадается по одному каналу:

. (8.3)

Тау-лептон, в силу большой массы, распадается по многим каналам:

,
,
мезоны. (8.4)

Время жизни тау-лептона составляет порядка
секунд.

Массы мюона и тау-лептона соответственно равны 106 МэВ (примерно 200 масс электрона) и 1784 МэВ.

В реакциях распада и слабого взаимодействия частиц каждый из лептонов участвует вместе со «своим» нейтрино.

8.2 Адроны. Кварковая структура адронов.

В отличие от лептонов адронов очень много. В настоящее время известно более трехсот адронов. Такое обилие адронов наводит на предположение, что они построены из более фундаментальных частиц и, следовательно, обладают внутренней структурой. Такая гипотеза была выдвинута в 60-х годах и затем подтверждена в различных исследованиях.

В настоящее время считается , что все адроны состоят из кварков (кварковая структура адронов). Всего имеется шесть разновидностей кварков:

В порядке возрастания их масс. Масса кварка
МэВ, масса кварка >20 ГэВ. Все кварки имеют спин ½, положительную четность +1 и дробный барионный заряд =+1. Кварки
имеют электрический заряд +2/3 (верхние кварки), кварки
имеют заряд (-1/3) в единицах заряда электрона (нижние кварки).

Все адроны в зависимости от спина (целый – полуцелый) делятся на два класса – барионы и мезоны. Согласно кварковой модели барионы состоят из трех кварков, мезоны – из кварка и антикварка.

Протон и нейтрон являются самыми легкими барионами. Их кварковая структура следующая:

.

Заметим, что массы протона и нейтрона намного превышают сумму масс составляющих их кварков. Эту проблему мы обсудим позднее.

Барионы, которые состоят не только из и кварков называются гипероны . Так - гиперон (самый легкий гиперон) состоит из трех кварков:
.

Самыми легкими мезонами являются - мезоны со структурой:

Последний из них представляет линейную комбинацию состояний
и
состояний. Часть времени он проводит в одном состоянии, часть времени - в другом.

Следующими по возрастанию массы идут
- мезоны:

Адроны (барионы и мезоны), содержащие кварки называются странными . Сам кварк называется странным и ему приписывается квантовое число
- странность. Антикварку приписывается странность +1. Странность пары частиц равна сумме странностей отдельных частиц. В сильных взаимодействиях странность сохраняется (закон сохранения странности в сильных взаимодействиях). Слабые взаимодействия изменяют странность на единицу:
.

Из трех кварков
и трех соответствующих антикварков можно построить девять различных состояний:

. (8.7)

Семь состояний рассмотрены выше: три состояния для - мезонов и четыре состояния для - мезонов. Еще два состояния представляют суперпозицию – линейные комбинации
и
состояний (- мезон и - мезон):

Кварк и антикварк, из которых состоят данные мезоны, имеют нулевой орбитальный момент. Спины кварка и антикварка направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Спин мезона, представляющий собой геометрическую сумму орбитального момента кварков и их суммарного спина, очевидно равен нулю. Пары кварк – антикварк мезонов находятся в состоянии (псевдоскалярные мезоны ).

Наряду с данными мезонами существуют мезоны , у которых орбитальный момент кварка и антикварка равен нулю, но их спины параллельны друг другу. Спин таких мезонов равен единице. Все они образуют тяжелую девятку (векторные мезоны , пара кварк - антикварк в состоянии):

Известны мезоны, у которых орбитальный момент кварка и антикварка не равен нулю, и спин больше единицы (мезонные резонансы ).

Вернемся к барионам, которые содержат кварки. Согласно кварковой модели орбитальные моменты трех кварков в нуклоне равны нулю, и спин нуклона равен геометрической сумме спинов кварков. Так у протона спины двух кварков параллельны, а спин кварка направлен в противоположную сторону. Спин протона, таким образом , равен ½. Аналогично, с заменой
, устроен нейтрон.

Протон, нейтрон, - гиперон и еще пять других гиперонов образуют восьмерку (октет) барионов со спином ½:

(8.10)

Барионы со спином 3/2, построенные из тех же кварков, но с параллельными спинами, образуют десятку (декуплет):

(8.11)

Трехкварковые системы (8.10)-(8.11) находятся в основном состоянии с нулевыми орбитальными моментами. Как и для состояний, кварк - антикварк (состояния мезонов) для данных систем возможны состояния с ненулевым орбитальным моментом , которые образуют свои октуплеты и декуплеты (барионные резонансы ).

Вышеприведенные формулы отражают только состав барионов, при этом имеются барионы с одинаковым набором кварков, но отличающиеся своими волновыми функциями.

В середине 7о-х годов был открыт
- мезон, содержащий кварк – один из уровней системы
, которая называется чармоний. В дальнейшем были обнаружены другие мезоны и барионы, содержащие кварк. Все они получили название очарованных частиц, а кварк получил название очарованного кварка. В 1979 г. был открыт ипсилон-мезон
, представляющий собой систему
. В настоящее время ведутся исследования по обнаружению частиц , содержащих кварки.

Итак, согласно кварковой теории адроны построены из кварков шести видов (существование шестого кварка предсказывается теорией) - шести ароматов . Кварки обладают полуцелым спином и должны подчиняться принципу Паули. Рассмотрим
- гиперон. Он содержит три кварка с параллельными спинами, что противоречит принципу Паули. Для разрешения данного противоречия понадобилось ввести еще одну характеристику – кавнтовое число - цвет . Согласно дальнейшему развитию теории, каждый кварк существует в виде трех различных цветовых состояниях – красный, желтый, синий (используется и набор: красный, зеленый, голубой). Цвета антикварков – антикрасный, антижелтый и антисиний. Согласно введению нового квантового числа вводятся два новых утверждения: 1) барионы состоят из трех кварков различного цвета; 2) мезоны состоят из кварка и антикварка с равным представительством всех цветов. Наглядная интерпретация второго правила может быть представлена следующим образом: мезон, состоящий из кварка и антикварка, из состояния
переходит в состояние
, далее в состояние , возвращается в состояние и т.д. Так
- мезон проводит равное время в трех цветовых состояниях:
. Считается, что совокупность трех различных цветов дает белый цвет, цвет и антицвет дают так же белый цвет. В согласии с этим два предыдущих правила объединяются в одно: все наблюдаемые адроны «белые» (бесцветные). В частности, данное правило запрещает существование свободных кварков , которые обладают цветом. Кварки могут находиться только в связанных состояниях, которые не обладают цветом.

Факт существования кварков доказывается не только теоретическим анализом кварковой модели, но и прямыми экспериментами по исследованию рассеяния высокоэнергетических электронов на нуклонах (глубоко – неупругое рассеяние ). В этом процессе электрон резко меняет свой импульс и энергию, передавая значительную их часть кварку (рис. 8.1).

Рис. 8.1.

Итак, кварки существуют внутри адронов, но не в свободном состоянии , что было бы легко обнаружить по их дробному электрическому заряду. Кварк, приобретая в процессе глубоко – неупругого рассеяния энергию, тратит ее на образование кварк – антикварковых пар, т.е. на образование новых адронов, в основном мезонов.

Почти по линейному закону , в отличие от кулоновского потенциала, который при больших расстояниях остается неизменным. Линейно растущему потенциалу отвечает сила, не меняющаяся с расстоянием. Такое поведение потенциала не позволяет развести кварки на большие расстояния, чтобы они вновь не оказались связанными, но уже в разных адронах. О силах, которые заставляют вести кварки столь необычным образом, мы скажем подробнее в дальнейшем.

На современном уровне развития физики считается , что лептоны и кварки не имеют внутренней структуры и их относят к числу истинно элементарных частиц. И лептоны, и кварки имеют спин ½. При этом резко бросаются в глаза и различия между лептонами и кварками. Лептоны имеют целый электрический заряд, кварки дробный; кварки обладают цветом, лептоны бесцветные. Тем не менее, истинно элементарные лептоны и кварки принято объединять в три группы (поколения ):

. (8.12)

Частицы первого поколения самые легкие , третьего поколения самые тяжелые. Из трех частиц первого поколения (исключение электронное нейтрино) построены атомы вещества. Каждой частице в (8.12) отвечает своя античастица, каждый из кварков при этом может находиться в трех разных цветовых состояниях. Таким образом, имеем - истинно элементарных фермионов.

К середине шестидесятых годов XX столетия, когда наряду с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков «элементарных» частиц, стало ясно, что эти «элементарные» частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 г. Независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили составную кварковую модель адронов.
Кварки объединяются в частицы, называемые адронами . Термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» – сильный и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Адроны – связанные системы кварков и антикварков. Адроны существуют двух типов – барионы и мезоны.

Рис. 11.1. Типы адронов и их кварковый состав.

Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического заряда Q, спина J, чётности P, изоспина I. Квантовые числа s (странность), c (очарование или шарм), b (bottom) и t (top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы (р, n, π, …), странные частицы (K, Λ, Σ, …), очарованные (D, Λ c , Σ c , …) и боттом-частицы (B, Λ b , Ξ b). t‑кварк имеет время жизни ≈ 10 -25 с, поэтому за такое короткое время он не успевает образовать адрон.
Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-кварков, образующих связанные состояния.
Квантовые характеристики кварков приведены в табл. 11.1. Каждый кварк имеет еще три цветные степени свободы (красный, синий, зеленый). Цветные степени свободы в таблице не указаны. Античастицы кварков – антикварки.

Таблица 11.1

Характеристики кварков

Квантовые характеристики антикварков приведены в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Характеристики антикварков

Кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены в кварковых системах – адронах. Поэтому им нельзя освободиться от взаимодействия с другими кварками, находящимися в том же объеме и связывающими их в адрон глюонами.
Барионное число B − квантовая характеристика частиц, отражающая установленный на опыте ещё до открытия кварков закон сохранения числа барионов. Так например, протон без нарушения законов сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда мог бы распасться на позитрон e + и γ-квант

или на положительно заряженный пион π + и γ-квант

Однако такие распады не наблюдаются. Это можно понять, приписав протону барионное число В = +1 и считать, что все частицы, состоящие из трёх кварков, имеют барионное число, равное плюс единице. Мезоны имеют барионное число В = 0. Антибарионы имеют барионное число В = -1. Лептоны имеют барионное число В = 0.
Все имеющиеся опытные данные свидетельствуют о существовании закона сохранения барионного числа (заряда) или закона сохранения числа барионов:

Барионное число является аддитивным квантовым числом. Барионные числа адронов – следствие их кварковой структуры. Кваркам приписывают барионное число В = +1/3, а антикваркам В = -1/3. Тогда все частицы, состоящие из трех кварков (барионы), будут иметь барионное число В = +1, частицы из трех антикварков (антибарионы) − B = -1, а частицы из кварка и антикварка (мезоны) − B = 0.
В отличие от точечных кварков, адроны протяжённые объекты, т. е. имеют размер (≈ 1 Фм). Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона p, пиона π и каона K

дают представление о размерах этих адронов.

Ф. Вилчек: «Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными… В начале двадцатого века, после пионерских экспериментов Резерфорда, Гейгера и Марсдена, физики открыли, что большая часть массы и весь положительный заряд внутри атома сконцентрированы в крошечных ядрах. В 1932 г. Чедвик открыл нейтроны, которые вместе с протонами могли бы рассматриваться как составляющие атомного ядра. Однако известных тогда сил гравитации и электромагнетизма было недостаточно, для того чтобы связать протоны и нейтроны в такие малые объекты, как наблюдаемые ядра. Физики столкнулись с новым видом взаимодействия, самым сильным в природе. Объяснение этой новой силы стало основной задачей теоретической физики.
Для решения указанной проблемы физики в течение многих лет собирали данные, полученные, в основном, из изучения результатов столкновений протонов и нейтронов. Однако результаты этих исследований оказывались громоздкими и сложными.
Если бы частицы в указанных экспериментах были фундаментальными (неделимыми), то после их столкновения следовало бы ожидать те же частицы, только выходящие по измененным траекториям. Вместо этого на выходе, после столкновения, часто оказывалось множество частиц. Конечное состояние могло содержать как несколько копий исходных частиц, так и другие частицы. Многие новые частицы были открыты именно таким образом. Несмотря на то, что эти частицы, называемые адронами, были нестабильны, их свойства были очень схожи со свойствами нейтронов и протонов. Тогда характер исследования изменился. Уже не казалось естественным полагать, что речь идет просто об изучении новой силы, связывающей протоны и нейтроны в атомные ядра. Скорее, открылся новый мир явлений. Этот мир состоял из множества новых неожиданных частиц, преобразующихся друг в друга удивительно большим количеством способов. Отражением изменения во взглядах стало и изменение в терминологии.
Вместо ядерных сил физики стали говорить о сильном взаимодействии.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг совершили огромный прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив концепцию кварков. Если вы представите, что адроны не являются фундаментальными частицами, а состоят из некоторого числа неделимых кварков, то все становится на свои места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере в грубом приближении, можно объяснить различными возможными способами соединений всего трех типов («ароматов») кварков. Один и тот же набор кварков может иметь различные пространственные орбиты и разнообразные спиновые конфигурации. Энергия такой системы будет зависеть от всех этих факторов, и таким образом получатся состояния с разными энергиями, соответствующие частицам с разными массами, согласно формуле m = E/c 2 . Это аналогично тому, как спектр возбужденных состояний в атоме мы понимаем как проявление различных орбит и спиновых конфигураций электронов. (Правда, энергии взаимодействия электронов в атомах относительно малы, и влияние этих энергий на полную массу атома незначительно.)
Тем не менее, правила использования кварков для описания реалистических моделей казались довольно странными и непонятными.
Предполагалось, что кварки едва ли чувствуют присутствие друг друга, когда находятся рядом, но если вы попытаетесь их изолировать друг от друга, то обнаружите, что это невозможно. Усиленные попытки найти изолированный кварк успехом так и не увенчались. Наблюдаемыми оказались только связанные состояния кварка с антикварком (мезоны) и трех кварков (барионы). Этот принцип, выведенный из экспериментальных наблюдений, назвали конфайнментом. Однако возвышенное название не сделало само явление менее таинственным.
Была у кварков и еще одна примечательная особенность. Предполагалось, что их электрические заряды являются дробными (1/3 или 2/3) по отношению к основному единичному заряду, например, электрона или протона. Все остальные наблюдаемые заряды известны с большой точностью и кратны основному. Кроме того, тождественные кварки не подчиняются обычным правилам квантовой статистики. Эти правила требуют, чтобы кварки, как частицы со спином 1/2, были фермионами с антисимметричными волновыми функциями (если не учитывать цветовую симметрию). Однако наблюдаемые данные о барионах не могут быть объяснены с помощью антисимметричных волновых функций они должны быть симметричными.
Атмосфера таинственности вокруг свойств кварков еще более сгущалась, когда Дж. Фридман. Г.Кендалл, Р. Тейлор и их коллеги на линейном ускорителе в Стэнфорде (SLAC) направили фотоны с высокой энергией на прогоны и обнаружили внутри нечто вроде кварков. Неожиданным было то. что при сильных столкновениях кварки двигаются (точнее, переносят энергию и импульс) так, как если бы они были свободными частицами. До этого эксперимента большинство физиков предполагало, что каким бы ни было сильное взаимодействие кварков, оно должно заставить кварки обильно излучать энергию, и, следовательно, после резкого ускорения энергия движения должна быстро рассеиваться» .

Некоторые барионы

Некоторые мезоны

Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами l q и в состояниях с различными значениями радиального квантового числа n. Так как кварк имеет положительную чётность, а антикварк - отрицательную, чётности барионов, антибарионов и мезонов определяются соотношениями

где L - результирующий орбитальный момент кварков в адроне.
Аналогичным образом можно получить формулу для чётности мезона/антимезона:

Спины кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и чётности J P . Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависит от J P и других квантовых чисел, таких как изоспин, т. е. для каждой кварковой комбинации получается набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая по существу не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Отличие в атоме состоит в том, что если в атоме (или в ядре) с определённым внутренним составом частиц изменяется энергия и квантовые числа, то это означает переход в другое состояние этого же атома (ядра). В физике адронов изменение энергии (массы) и квантовых чисел фиксированной кварковой комбинации означает переход к другой частице.

Адроны - бесцветные образования цветных кварков

Почему существует столь ограниченный набор связанных кварковых структур - трёхкварковые и кварк-антикварковые состояния? Для ответа на этот вопрос нужно пояснить понятие бесцветного состояния . Кварковая модель в своем первоначаль­ном варианте не содержала понятия «цвет». Исходная модель смогла представить все многочисленное семейство адронов всего лишь в виде трех кварковых комбинаций − qqq (барионы), (антибарионы) и q (мезоны). Однако оставалось неясным, почему других комбинаций кварков, например, qq, qq, q, qqqq, qq, q и т.д. в природе нет, да и сами отдельные кварки не наблюдаются. Кроме того, были известны барионы из трех тождественных кварков – uuu (Δ ++ -резонанс), ddd (Δ - ‑резонанс), sss (Ω - -гиперон), в которых кварки находились в одинаковых квантовых состояниях, что противоречило принципу Паули. Все эти трудности начального варианта кварковой модели снимались введением для кварков еще одного квантового числа, названного цветом . Это квантовое число должно было иметь три возможных значения с тем, чтобы можно было восстановить принцип Паули для барионов, построенных из трех кварков одинакового аромата. Эти три возможных значения цвета – красный (к), зеленый (з) и синий (с) – можно рассматривать как три проекции своеобразного цветового спина в трехмерном цветовом пространстве (с осями К, З. С).
С введением цвета Δ ++ -резонанс, например, можно представить как комбинацию трех u-кварков в разных цветовых состояниях: Δ ++ = u к u з u с. Это означало, что принцип Паули справедлив и в физике адронов. Однако, ограничиться только трехзначностью цвета было невозможно. Оставалась ещё одна проблема. Если u к u з u с - это единственный вариант Δ ++ ‑резонанса, то для протона можно предложить несколько кандидатов, не нарушая принципа Паули: u к u з d с, u к u з d з, u с u к d к и т. д. Но существует только одно протонное состояние и введение нового квантового числа «цвет» не должно увеличивать число наблюдаемых состояний.
Выходом из этой ситуации явилось принятие постулата о бесцветности наблюдаемых квантовых состояний адронов. Бесцветность адронов означает, что в них кварки разного цвета представлены с равными весами. О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых синглетах. Они инвариантны относительно преобразований в трехмерном цветовом пространстве. Если цветовой индекс кварка принимает три значения α = 1, 2, 3, то такие преобразования имеют вид

при условии ортонормированности цветовых состояний

где (*) означает комплексное сопряжение, а δ βγ − символ Кронекера.
В отличие от цветных кварков, их наблюдаемые комбинации − адроны − всегда бесцветны. В них все кварковые цвета представлены с одинаковыми весами. В этом состоит аналогия между цветом в оптике ик вантовым числом цвет. В обоих случаях равномерная смесь трёх базовых цветов дает бесцветную (белую) комбинацию.
Рассмотрим вопрос о том, как цветовые степени свободы кварков должны быть учтены в волновых функциях адронов Y. Поскольку эти степени свободы не зависят от других кварковых степеней свободы – пространственных координат, спина и аромата, то цветовая часть полной волновой функции адрона может быть выделена в виде множителя ψ color:

Ψ = ψ color Ф,

где Ф − часть волновой функции адрона, куда входят пространственные (space ), спиновые (spin ) и ароматовые (flavor ) степени свободы кварков. Установим вид ψ color . Он различен для мезонов и барионов.
Кварковая структура мезонов q. Для того, чтобы мезон был бесцветным, все возможные цвета кварка (антикварка) в нём должны быть представлены с одинаковым весом, что дает цветовую структуру мезона ~ (k+з +с ). Поэтому, независимо от типа (кваркового состава) мезона цветовая часть его волновой функции с учетом нормировки имеет вид

При установлении вида цветовой волновой функции бариона необходимо учесть принцип Паули. В состав бариона могут входить тождественные кварки, а, поскольку кварки являются фермионами, то в таких барионах эти кварки не должны находиться в одинаковых квантовых состояниях. В случае мезонов такого ограничения нет, так как они содержат только различные частицы - кварк и антикварк. Это означает, что волновая функция бариона, содержащего кварки одинакового аромата, должна быть антисимметричной при перестановке этих кварков.

Рассмотрим ситуацию на примере Δ ++ -резонанса, состоящего из трёх u-кварков. Его спин-чётность J P = 3/2 + . Эксперименты показали, что его волновая функция симметрична по пространственным координатам кварков и не имеет узлов. Следовательно, орбитальный момент кварков L = 0 и полный момент J P = 3/2 целиком обусловлен спинами кварков, направленными в одну сторону (). Такое спиновое состояние симметрично. Следовательно, пространственно-спиново-ароматовая волновая функция Δ ++ -резонанса F симметрична по этим трём переменным. Как показывает опыт это утверждение справедливо для всех барионов, т. е. все барионы имеют волновые функции, полностью симметричные к одновременной перестановке пространственных координат, спинов и ароматов любых двух кварков. Для того чтобы быть антисимметричной в целом, полная волновая функция Y любого бариона должна содержать антисимметричную цветовую функцию ψ color . Нормированная антисимметричная цветовая волновая функция бариона имеет вид

Такая цветовая функция автоматически обеспечивает выполнение принципа Паули, запрещающего существование бариона, содержащего кварки одного и того же аромата в полностью одинаковых квантовых состояних. Ароматово-цветовая волновая функция Δ ++ -резонанса имеет вид

Требуемая антисимметризация волновой функции Δ ++ -резонанса получена. Она антисимметрична по цвету, симметрична по пространственным координатам (орбитальные моменты кварков нулевые) и спинам (). Таким образом, волновая функция Δ ++ -резонанса Y антисимметрична в целом, как и должно быть для систем, содержащих тождественные фермионы. Легко проверить выполнение принципа Паули для этого состояния. Пусть зелёный u-кварк стал красным: u з → u к. Тогда в Δ ++ ‑резонансе имеем два красных u-кварка в одном и том же состоянии. При этом волновая функция Δ ++ -резонанса обращается в нуль.

Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны - составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны - это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы - это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).

И уже в этом определении, таком простом и коротком, скрыто несколько тонкостей, про которые можно говорить очень долго. Мы пускаться в эти разговоры не будем, а упомянем только три самых важных момента.

Составные кипричики

Обычно, когда говорят, что какой-то предмет состоит из частей, то предполагают, что эти части можно, по крайней мере в принципе, отделить друг от друга и предъявить каждую из них по отдельности. Для кварков это предположение не работает. Да, это не очень интуитивное свойство, его трудно совместить с повседневным опытом, но дела в кварковом мире обстоят именно так.

Физики видят в многочисленных экспериментах, что протоны, нейтроны и другие адроны действительно состоят из отдельных «комочков материи», которые, хоть и движутся друг относительно друга, но навеки скреплены глюонными силами. Разделить протон на отдельные кварки, отделить один кварк от других не получится. Как только вы попытаетесь это сделать, приложите достаточную силу для вытягивания одного кварка из протона, так сразу же глюонное поле породит новую кварк-антикварковую пару. Вместо вытягивания кварка вы извлечете из протона мезон, а протон так и останется протоном (рис. 1). Этот процесс называется адронизация - «превращение в адроны».

Такое поведение кварков называют конфайнментом - «пленением» кварков внутри адронов. Получается так вовсе не из-за самих кварков, а из-за сил, которые между ними действуют. Связывающее их силовое поле не просто сильное, оно очень особенное, непохожее на электромагнитные силы. Это силовое поле способно чувствовать само себя, способно взаимодействовать с собой и от этого усиливаться. В результате получается, что если этому силовому полю предоставить всё пространство, то его энергия будет неограниченно возрастать. Это очень невыгодно с точки зрения энергии; гораздо выгоднее для этого поля будет породить много кварк-антикварковых пар, которые замкнут на себя это поле. И вот тогда оно будет спрятано в отдельных кварковых или антикварковых комбинациях, а на всё пространство распространяться не будет.

На жаргоне физиков то свойство, которое позволяет кваркам чувствовать глюонное поле, называется цвет (он, конечно, не имеет никакого отношение к оптическим цветам, это просто приятное название для новой величины). Цветов у кварков три, и еще три противоположных цвета у антикварков. А адронами являются не произвольные, а именно такие комбинации, в которых все цвета «сокращаются», или, как говорят физики, бесцветные комбинации (то есть три кварка с тремя разными цветами или кварк и антикварк с противоположным цветом).

Конечно, это всё - очень упрощенное описание; реальное положение дел гораздо сложнее. Более того, явление конфайнмента до сих пор не понято на достаточном уровне математической строгости. Математический институт Клэя даже назначил премию в миллион долларов за решение этой задачи. Однако на описательном уровне явление конфайнмента считается установленным.

Наивная кварковая модель

Описанная выше схема, по которой кварки группируются по двое и по трое и становятся бесцветными адронами, называется наивной кварковой моделью . Эта модель не объясняет, почему все адроны объединяются только по двое и по трое. Можно построить и другие бесцветные комбинации кварков и антикварков, создать многокварковые адроны, но они почему-то на опыте не встречаются.

А точнее, они не встречались до недавнего момента. Начиная с середины 2000-х годов стали появляться надежные экспериментальные данные, что некоторые адроны не вписываются в простую схему наивной кварковой модели. Такие адроны называются экзотическими . Правда, количество известных на сегодня экзотических адронов очень невелико, всего несколько штук против нескольких сотен обычных адронов - и причем все они мезоны; подтвержденных данных по пентакваркам и другим экзотическим барионам пока нет.

Получается, что природа всё же выходит за рамки простейшей схемы, но очень уж неохотно. Почему так происходит и что вообще представляют из себя экзотические адроны, пока что остается предметом активных исследований.

Состав - понятие относительное!

Даже в слове «состоит » скрыто немало тонкостей. Дело в том, что утверждение «протон состоит из трех кварков » хорошо работает только для неподвижного или медленно движущегося протона. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то его состав кардинально меняется: в нем словно «нарождаются» многочисленные кварки, антикварки и глюоны (они совокупно называются партоны ), которые летят вперед одним компактным облаком и, собственно, представляют собой протон. В столкновении таких быстролетящих протонов реально сталкивается не вся толпа этих отдельных частиц, а лишь по одному партону (изредка - больше); см. рис. 2.

Кварки и их свойства

Сейчас известно шесть сортов (на физическом жаргоне - ароматов ) кварков. Они обозначаются буквами u, d, s, c, b, t и попарно объединяются в три поколения кварков (рис. 3). Из них только первые пять участвуют в образовании адронов. Топ-кварк t настолько тяжел, что распадается исключительно быстро и попросту не успевает образовать адроны. Известно также, что других кварков не существует; по крайней мере, не существует других легких кварков, которые могли бы образовывать настоящие адроны.

Пройдемся кратко по всем пяти «адронообразующим» кваркам.

• Легкие кварки u (up, верхний) и d (down, нижний). Легкие кварки - самые распространенные в природе. Именно из них состоят протоны (uud), нейтроны (udd), переносчики ядерных сил, пи-мезоны. Обычно пишут, что массы u- и d-кварков составляют несколько МэВ, но это число для адронной физики почти бесполезно. Дело в том, что массы адронов получаются не только из масс кварков, но еще и из-за конфайнмента, который дает вклад в общую массу адрона от 100 до нескольких сотен МэВ.
• Странный кварк s. Название «странный» возникло исторически, когда содержащие его частицы (странные адроны) только-только стали появляться в экспериментальных данных и вели себя «как-то не так» по сравнению с известными адронами. Странные адроны уже давно не считаются чем-то необычным, это вполне «рутинные» частицы в современных экспериментах.
• Очарованный кварк c. Такое симпатичное название - просто причуда физического жаргона, отчасти скрашивающая сухие тексты по адронной физике. Содержащие этот кварк частицы (очарованные адроны) тяжелее своих легких собратьев (к их массе добавляется примерно 1,5 ГэВ на каждый c-кварк) и живут недолго, порядка одной пикосекунды (в системе покоя частицы). Тем не менее это позволяет им отлететь от точки рождения на расстояния порядка миллиметра, что надежно регистрируется детекторами . Такое разделение событий рождения и распада позволяет хорошо идентифицировать такие адроны.
• Прелестный кварк b еще тяжелее, его масса около 5 ГэВ, однако время жизни его даже больше, чем у c-кварка, - около 1,5 пс. Из-за того что масса b-кварка намного больше адронного масштаба масс (несколько сотен МэВ), становится очень удобно описывать прелестные адроны как связанную систему тяжелого и легкого кварка; многие успехи в теоретическом описании прелестных адронов связаны именно с этим простым фактом.

Классификация адронов

Общепринятые обозначения

Адроны могут содержать любые комбинации этих пяти кварков, которые, к тому же, могут еще и по-разному двигаться друг вокруг друга наподобие того, как электроны могут по-разному двигаться вокруг ядра. Поэтому даже из небольшого числа кварков можно, в принципе, составить неограниченное количество адронов. Конечно, как открыть их эксприментально - это отдельный вопрос.

Мезоны и барионы с разным кварковым составом обозначаются разными прописными буквами; при этом мезоны обычно обозначаются латинскими буквами (K-мезоны, D-мезоны, B-мезоны), а барионы - греческими (Λ, Σ, Ξ, Ω). Исключение составляют исторически сложившиеся названия: π-мезоны, ρ-мезоны, p, n и т. п. Внутри одного семейства частицы обозначаются одинаковой буквой, но к ней либо приписываются индексы, либо в скобках добавляется масса. Например, «обычный» B-мезон c кварковым составом (d-анти-b) так и обозначается: B, но мезон с составом s-анти-b обозначается B s и называется странным прелестным мезоном. Обычный Λ-барион с кварковым составом uds обозначается просто Λ, а возбужденное состояние тех же кварков с общей массой 1519,5 МэВ обозначается Λ(1520).

Особый класс составляют мезоны с кварком и антикварком одинакового аромата, в особенности c-анти-c и b-анти-b. Такие состояния называются кваркониями (и конкретно - «чармонием» в случае c-анти-c и «боттомонием» в случае b-анти-b), по аналогии с позитронием, который состоит из электрона и его античастицы, позитрона. В семействе кваркониев есть много состояний со слегка отличающимися массами, которые могут переходить друг в друга с излучением фотонов, по аналогии с переходами электронов между уровнями энергии в возбужденных атомах.